JP2019047698A - Semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
この明細書の開示は、負荷を駆動するためのスイッチング素子を備えた半導体装置に関する。 The disclosure of this specification relates to a semiconductor device including a switching element for driving a load.
絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)やMOSFETなどのスイッチング素子を駆動する駆動回路において、誘導性負荷に起因する高速且つ大電流のサージ電流に対応するため、保護回路を有する半導体装置が提案されている。 In a drive circuit for driving a switching element such as an insulated gate bipolar transistor (IGBT) or a MOSFET, a semiconductor device having a protection circuit has been proposed to cope with a high-speed and large surge current caused by an inductive load.
特許文献1に記載の半導体装置は、保護回路と逆流防止用ツェナーダイオードがスイッチング素子のドレイン−ゲート間に挿入されている。この半導体装置では、サージ発生時にゲート端子に電流が流入することでスイッチング素子がオンし、スイッチング素子を介してサージ電流を逃がすようになっている。このため、高速サージ耐量を確保できるとするものである。
In the semiconductor device described in
しかしながら、特許文献1に開示された半導体装置は、スイッチング素子をオンすることによってサージ電流を逃がす構成となっているため、スイッチング素子の耐圧に近い電圧でのリーク検査やスクリーニング検査を行うことができない。
However, since the semiconductor device disclosed in
また、万一保護回路にショート故障が発生した場合には、スイッチング素子のゲート−ドレイン間ショートとなり、スイッチング素子がオフできない状態に移行する虞がある。 Also, in the unlikely event that a short circuit failure occurs in the protection circuit, there is a possibility that the switching element will be short-circuited between the gate and the drain, and the switching element may enter a state where it cannot be turned off.
そこで、この明細書の開示は、スイッチング素子の電気的検査が実施可能でありつつ、スイッチング素子のより安全な保護を可能とする半導体装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the disclosure of this specification is to provide a semiconductor device that enables safer protection of a switching element while allowing electrical inspection of the switching element.
この明細書の開示は、上記目的を達成するために以下の技術的手段を採用する。なお、特許請求の範囲およびこの項に記載した括弧内の符号は、ひとつの態様として後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであって、技術的範囲を限定するものではない。 The disclosure of this specification employs the following technical means to achieve the above object. In addition, the code | symbol in the bracket | parenthesis described in a claim and this clause shows the correspondence with the specific means as described in embodiment mentioned later as one aspect, Comprising: Technical scope is limited is not.
上記目的を達成するために、この明細書に開示される半導体装置は、スイッチング素子(10)として、互いの出力端子が電源電位と基準電位との間で直列に接続された第1スイッチング素子(Tr1)および第2スイッチング素子(Tr2)と、スイッチング素子の制御端子に電圧を供給してオンオフを制御する制御部(20)と、少なくともひとつのスイッチング素子の制御端子に一端である第1端子(C1)が接続されたクランプ回路(30)と、を備え、クランプ回路は、第1端子が接続されたスイッチング素子における低電位側の出力端子と、基準電位が設定される端子と、の間に第1端子の他端である第2端子(C2)が接続されるものであり、クランプ回路は、第1端子から第2端子への電流を遮断するとともに、第2端子の電位が第1端子の電位よりも高いときに、第1端子と第2端子との電位差が所定のクランプ電圧以上にならないようにしつつ通電する。 In order to achieve the above object, a semiconductor device disclosed in this specification includes, as a switching element (10), a first switching element in which output terminals of each other are connected in series between a power supply potential and a reference potential ( Tr1) and the second switching element (Tr2), a control unit (20) for controlling on / off by supplying a voltage to the control terminal of the switching element, and a first terminal (one end of the control terminal of at least one switching element) C1) is connected to the clamp circuit (30), and the clamp circuit is provided between the output terminal on the low potential side of the switching element to which the first terminal is connected and the terminal to which the reference potential is set. The second terminal (C2) which is the other end of the first terminal is connected, and the clamp circuit cuts off the current from the first terminal to the second terminal and Position is at higher than the potential of the first terminal, the potential difference between the first terminal and the second terminal is energized while the not to exceed a predetermined clamp voltage.
電源電位から基準電位に向かって大電流が流れたとき、保護機能等によって大電流が遮断されるとサージ電流が流れる。サージ電流と寄生インダクタンスによりスイッチング素子の低電位側の電位が上昇する。すなわち、クランプ回路における第2端子の電位が上昇する。電位が所定以上上昇すると、クランプ回路の第1端子と第2端子との間が通電して、クランプ電圧を維持しつつクランプ電流が流れる。このクランプ電流が制御端子に流れ込んで制御端子の電圧低下を緩やかにすることによって、スイッチング素子のオフ速度を緩やかにしてソフトオフを実現することができる。これにより、クランプ回路を備えない半導体装置に較べて、スイッチング素子を流れるサージ電流を抑制することができる。 When a large current flows from the power supply potential toward the reference potential, a surge current flows when the large current is interrupted by a protective function or the like. The potential on the low potential side of the switching element rises due to surge current and parasitic inductance. That is, the potential of the second terminal in the clamp circuit increases. When the potential rises by a predetermined level or more, a current flows between the first terminal and the second terminal of the clamp circuit, and a clamp current flows while maintaining the clamp voltage. When this clamp current flows into the control terminal and the voltage drop at the control terminal is moderated, the off-speed of the switching element can be moderated to realize soft-off. Thereby, it is possible to suppress a surge current flowing through the switching element as compared with a semiconductor device that does not include a clamp circuit.
また、保護回路として機能するクランプ回路は、スイッチング素子の制御端子と、基準電位側の出力端子との間に接続されるので、万一クランプ回路がショートした場合でも、制御端子が電源電圧に近い高電位側とショートすることを防止できる。 In addition, since the clamp circuit that functions as a protection circuit is connected between the control terminal of the switching element and the output terminal on the reference potential side, even if the clamp circuit is short-circuited, the control terminal is close to the power supply voltage. A short circuit with the high potential side can be prevented.
また、上記のように、クランプ回路は、基準電位側の出力端子に接続されるので、スイッチング素子に対するリーク検査やスクリーニング検査のための高電圧の印加に対しても、意図しないクランプ回路の誤動作を気にすることなく検査を行うことができる。すなわち、スイッチング素子の電気的検査が実施可能でありつつ、スイッチング素子のより安全な保護を可能とする。 In addition, as described above, the clamp circuit is connected to the output terminal on the reference potential side, so that an unintentional malfunction of the clamp circuit can be caused even when a high voltage is applied to the switching element for leak inspection or screening inspection. Inspection can be done without worrying. That is, the switching element can be electrically inspected, and the switching element can be protected more safely.
以下に、図面を参照しながら本開示を実施するための複数の形態を説明する。各形態において先行する形態で説明した事項に対応する部分には同一の参照符号を付して重複する説明を省略する場合がある。各形態において構成の一部のみを説明している場合は、構成の他の部分については先行して説明した他の形態を適用することができる。各形態で具体的に組み合わせが可能であることを明示している部分同士の組み合わせばかりではなく、特に組み合わせに支障が生じなければ、明示していなくても形態同士を部分的に組み合せることも可能である。 Hereinafter, a plurality of modes for carrying out the present disclosure will be described with reference to the drawings. In each embodiment, parts corresponding to the matters described in the preceding embodiment may be denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted. When only a part of the configuration is described in each mode, the other modes described above can be applied to the other parts of the configuration. Not only combinations of parts that clearly indicate that combinations are possible in each form, but also forms may be partially combined even if they are not clearly specified, as long as there is no problem with the combination. Is possible.
(第1実施形態)
最初に、図1および図2を参照して、本実施形態に係る半導体装置の概略構成について説明する。
(First embodiment)
First, a schematic configuration of the semiconductor device according to the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
図1に示すように、半導体装置100は、例えばインバータ回路200などのスイッチング素子を含む回路に組み込まれる。インバータ回路200は例えばモータ300に接続され、バッテリ400が供給する直流の電圧を交流電圧に変換する目的で用いられる。
As shown in FIG. 1, the
本実施形態においては、2つのMOSFETがバッテリ400に対して直列に接続された構成を半導体装置100と称し、3つの半導体装置100が協業することで3相交流の生成を実現している。また、インバータ回路200は、直流−交流変換後のリップルノイズなどを低減する目的で電解コンデンサ500を有している。
In the present embodiment, a configuration in which two MOSFETs are connected in series with the
なお、本実施形態では、バッテリ400の電圧をVBと記載し、バッテリ400の正極における電位は、負極の電位を基準としてVBとなる。つまり、半導体装置100を構成する2つのMOSFETは、低電位側の基準電位(GND)に対して、高電位側がVBとされた2電位の間に直列接続されている。
In the present embodiment, the voltage of the
図2に示すように、半導体装置100は、スイッチング素子10として、第1スイッチング素子Tr1と、第2スイッチング素子Tr2と備えている。本実施形態におけるスイッチング素子10は、NチャネルのMOSFETである。また、半導体装置100は、第1スイッチング素子Tr1および第2スイッチング素子Tr2のゲート端子G1,G2にゲート電圧を供給する制御部20と、サージに対する保護回路として機能するクランプ回路30と、を備えている。
As illustrated in FIG. 2, the
第1スイッチング素子Tr1は、NチャネルMOSFETであり、2つの出力端子と1つの制御端子とを有している。出力端子はドレイン端子D1とソース端子S1であり、制御端子はゲート端子G1である。ゲート端子G1の所定の閾値電圧以上の電圧が印加されると第1スイッチング素子Tr1はオンして、D1−S1間に出力電流が流れる。第1スイッチング素子Tr1におけるドレイン端子D1は電源電位VBが設定される端子P1と接続され、ソース端子S1は第2スイッチング素子Tr2のドレイン端子D2に接続されている。 The first switching element Tr1 is an N-channel MOSFET and has two output terminals and one control terminal. The output terminals are the drain terminal D1 and the source terminal S1, and the control terminal is the gate terminal G1. When a voltage equal to or higher than a predetermined threshold voltage of the gate terminal G1 is applied, the first switching element Tr1 is turned on, and an output current flows between D1 and S1. The drain terminal D1 of the first switching element Tr1 is connected to the terminal P1 to which the power supply potential VB is set, and the source terminal S1 is connected to the drain terminal D2 of the second switching element Tr2.
第2スイッチング素子Tr2も、NチャネルMOSFETであり、2つの出力端子と1つの制御端子とを有している。出力端子はドレイン端子D2とソース端子S2であり、制御端子はゲート端子G2である。ゲート端子G2の所定の閾値電圧以上の電圧が印加されると第2スイッチング素子Tr2はオンして、D2−S2間に出力電流が流れる。第2スイッチング素子Tr2におけるドレイン端子D2は第1スイッチング素子Tr1のソース端子S1に接続され、ソース端子S2は基準電位GNDに設定される端子P2に接続されている。 The second switching element Tr2 is also an N-channel MOSFET, and has two output terminals and one control terminal. The output terminals are the drain terminal D2 and the source terminal S2, and the control terminal is the gate terminal G2. When a voltage equal to or higher than a predetermined threshold voltage of the gate terminal G2 is applied, the second switching element Tr2 is turned on, and an output current flows between D2 and S2. The drain terminal D2 of the second switching element Tr2 is connected to the source terminal S1 of the first switching element Tr1, and the source terminal S2 is connected to a terminal P2 set to the reference potential GND.
このように、第1スイッチング素子Tr1と第2スイッチング素子Tr2とは、電源電位VBと基準電位GNDとの間で直列接続されている。本実施形態では、第1スイッチング素子Tr1が電源電位VB側に配置されて上アームを成し、第2スイッチング素子Tr2が基準電位GND側に配置されて下アームを成す。モータ300は、第1スイッチング素子Tr1と第2スイッチング素子Tr2の中間点に接続され、第1スイッチング素子Tr1と第2スイッチング素子Tr2のオンオフを相互に切り替えることによってモータ300に供給される電流の方向を切り替えることができるようになっている。
Thus, the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are connected in series between the power supply potential VB and the reference potential GND. In the present embodiment, the first switching element Tr1 is arranged on the power supply potential VB side to form an upper arm, and the second switching element Tr2 is arranged on the reference potential GND side to form a lower arm. The
制御部20は、ゲート電圧を所定のタイミングで出力する部分である。制御部20は、第1スイッチング素子Tr1のゲート端子G1に所定のゲート電圧を供給するとともに、第2スイッチング素子Tr2のゲート端子G2に所定のゲート電圧を供給している。
The
本実施形態におけるクランプ回路30は、第1スイッチング素子Tr1のゲート端子G1と、基準電位GNDが設定される端子P2の間に接続されている。クランプ回路30においてゲート端子G1に接続される端子を第1端子C1と称し、端子P2に接続される端子を第2端子C2と称する。クランプ回路30は、第1端子C1から第2端子C2へは電流を流さず、且つ、第1端子C1よりも第2端子C2の電位が高い所定の条件下で、C2−C1間の電位差を一定に保持しつつ第2端子C2から第1端子C1に向かう電流を流す回路である。上記機能を有する回路であれば、その構成は問わないが、本実施形態におけるクランプ回路30は、クランプ用ダイオード31と、クランプ用ツェナーダイオード32とを有している。
The
クランプ用ダイオード31は、電流が第1端子C1から第2端子C2へ流れないように整流するために挿入されており、カソード端子が第1端子C1側に接続されるとともに、アノード端子が第2端子C2側に接続されている。
The clamping
クランプ用ツェナーダイオード32は、第1端子C1と第2端子C2との間でクランプ用ダイオード31と直列に接続されている。クランプ用ツェナーダイオード32は、カソード端子が第2端子C2側に接続されるとともに、アノード端子が第1端子C1側に接続されている。クランプ用ツェナーダイオード32は、第2端子C2の電位が第1端子C1の電位よりも所定以上だけ高くなるとブレークし、端子C1−C2間の電位差を、所定のブレーク電圧とクランプ用ダイオード31の順方向電圧Vfとを加えたクランプ電圧にクランプする。
The clamping
このように、クランプ回路30は、クランプ用ダイオード31によって第1端子C1から第2端子C2への電流を遮断するとともに、第2端子C2の電位が第1端子C1の電位よりも高いときに、第1端子C1と第2端子C2との電位差が所定のクランプ電圧以上にならないようにしつつ通電するようになっている。
In this way, the
ところで、半導体装置100では、スイッチング素子10、クランプ回路30、モータ300およびそれらを接続する配線によって寄生インダクタンスが生じる。本実施形態では、図2に示すように、例えば、P1−D1間にインダクタンスL1が生じ、S1−D2間にインダクタンスL2が生じ、S2−P2間にインダクタンスL3が生じ、P2−C2間にインダクタンスL4が生じている。図2に示すインダクタンスL1〜L4は、素子としてインダクタンスが挿入されているのではなく、寄生インダクタンスを表現するものとして便宜的に図示されたものである。
By the way, in the
次に、本実施形態にかかる半導体装置100を採用することによる作用効果について説明する。
Next, functions and effects obtained by employing the
まず、サージの発生について簡単に説明する。以下に説明するサージの発生メカニズムは一例であって、この例に限定するものではない。 First, the occurrence of surge will be briefly described. The surge generation mechanism described below is an example, and the present invention is not limited to this example.
例えば、下アームの第2スイッチング素子Tr2が何らかの理由で故障し、D2−S2間が短絡したと仮定する。ここで、第1スイッチング素子Tr1が通常通り動作するに際してオンすると、第1スイッチング素子Tr1と第2スイッチング素子Tr2とがともにオンされた状態となる。すなわち、P1−P2間に上下貫通電流が流れる。上下貫通電流に起因する過電流が検出された場合、図示しない保護機構により第1スイッチング素子Tr1をオフする短絡保護を行うことが考えられる。このような保護動作では、ゲート電圧の減少速度を意図的に遅くし、ドレイン電流の時間変化を小さくする方法が採られる。しかしながら、過電流の誤検出を防止するため、検出のためのフィルタ時間が設けられることが一般的であり、このフィルタ時間の間に、通常動作に係る第1スイッチング素子Tr1のオフ指令が発出されてしまうと、第1スイッチング素子Tr1のゲート電圧は急激に低下して寄生インダクタンスに起因する、大電流且つ高速なサージ電流が発生してしまう。 For example, it is assumed that the second switching element Tr2 of the lower arm has failed for some reason, and D2-S2 is short-circuited. Here, when the first switching element Tr1 is turned on during normal operation, both the first switching element Tr1 and the second switching element Tr2 are turned on. That is, a vertical through current flows between P1 and P2. When an overcurrent caused by the vertical through current is detected, it is conceivable to perform short-circuit protection for turning off the first switching element Tr1 by a protection mechanism (not shown). In such a protection operation, a method of intentionally slowing down the gate voltage reduction rate and reducing the time variation of the drain current is employed. However, in order to prevent erroneous detection of overcurrent, a filter time for detection is generally provided, and an off command for the first switching element Tr1 related to normal operation is issued during this filter time. As a result, the gate voltage of the first switching element Tr1 rapidly decreases, and a large current and a high-speed surge current are generated due to the parasitic inductance.
P1−P2間に上下貫通電流が流れるとき、接地ラインにおける電位(第2端子C2の電位)は、第1スイッチング素子Tr1のソース端子S1に対して、サージ電圧(L2+L3+L4)・dj/dtだけ高くなる。ここで、jはサージ電流、tは時間である。接地ラインの電位が上昇すると、クランプ回路30における第2端子C2の電位が第1端子C1の電位よりも相対的に高くなり、やがてクランプ用ツェナーダイオード32のブレーク電圧を超える。これにより、クランプ回路30において第2端子C2から第1端子C1に向かうクランプ電流が流れる。すなわち、クランプ回路30を介して第1スイッチング素子Tr1のゲート端子G1にクランプ電流が流れ込み、オフされようとする第1スイッチング素子Tr1に対してオフ速度が緩やかになるようにゲート電圧が調整される。これによって、dj/dtを抑制することができ、第1スイッチング素子Tr1がオフされることに起因する遮断サージを抑制することができる。
When a vertical through current flows between P1 and P2, the potential on the ground line (the potential of the second terminal C2) is higher than the source terminal S1 of the first switching element Tr1 by a surge voltage (L2 + L3 + L4) · dj / dt. Become. Here, j is a surge current and t is time. When the potential of the ground line rises, the potential of the second terminal C2 in the
また、クランプ回路30が有効になることにより、サージ電圧は、第1スイッチング素子Tr1の閾値電圧Vthとクランプ回路30のクランプ電圧の和の電圧値にクランプされるので、第1スイッチング素子Tr1のドレイン−ソース間に印加される遮断サージを抑制することができる。
In addition, since the
また、保護回路として機能するクランプ回路30は、第1スイッチング素子Tr1の制御端子であるゲート端子G1と、基準電位側の出力端子であるソース端子S1側に接続されるので、万一クランプ回路30にショート故障が発生した場合でも、ゲート−ドレイン間ショートが生じることを防止できる。よって、クランプ回路30のショート故障時において第1スイッチング素子Tr1が常時オンになる状況を回避することができる。
The
また、上記のように、クランプ回路30は、基準電位側の出力端子に接続されるので、第1スイッチング素子Tr1に対するリーク検査やスクリーニング検査のための端子間の高電圧の印加に対しても、意図しないクランプ回路30の誤動作を気にすることなく検査を行うことができる。すなわち、スイッチング素子の電気的検査が実施可能でありつつ、スイッチング素子10のより安全な保護を可能とする。
Further, as described above, since the
(第2実施形態)
クランプ回路30の回路構成は、第1実施形態に示したようなクランプ用ツェナーダイオード32を用いたものに限定されることなく、第1端子C1から第2端子C2へは電流を流さず、且つ、第1端子C1よりも第2端子C2の電位が高い所定の条件下で、C2−C1間の電位差を一定に保持しつつ第2端子C2から第1端子C1に向かう電流を流す回路であれば良い。
(Second Embodiment)
The circuit configuration of the
例えば、図3に示すように、本実施形態におけるクランプ回路30は、クランプ用ダイオード31と、クランプ用NチャネルMOSFET33とを有している。クランプ用ダイオード31は、第1実施形態と同様に電流が第1端子C1から第2端子C2へ流れないように整流するために挿入されており、カソード端子が第1端子C1側に接続されるとともに、アノード端子が第2端子C2側に接続されている。
For example, as shown in FIG. 3, the
クランプ用NチャネルMOSFET33は、ソース端子が第1端子C1側、すなわちクランプ用ダイオード31のアノード端子に接続され、ドレイン端子が第2端子C2側に接続されている。クランプ用NチャネルMOSFET33は、ゲート端子とドレイン端子とが直接的に接続されている。なお、ソース端子とドレイン端子とを仲介するダイオード33aは寄生ダイオードである。
The clamping N-
このクランプ回路30は、サージ発生時における第2端子C2の電位の上昇に伴って、クランプ用NチャネルMOSFET33のゲート電圧も上昇し、ゲート−ソース間電圧がクランプ用NチャネルMOSFET33固有の閾値電圧Vthを超えると通電するようになっている。クランプ用NチャネルMOSFET33のソース−ドレイン間電圧は閾値電圧Vthに依存し、ひいてはこれがクランプ回路30におけるC1−C2間の電圧を決める。
In the
半導体装置100の作用および効果としては、クランプ電圧が相違することを除いて第1実施形態の場合と同様である。
The operation and effect of the
本実施形態においては、クランプ回路30のクランプ電圧を調整する方法として、図4に示すように、クランプ用NチャネルMOSFET33のゲート−ドレイン間に、ゲート端子側がカソード端子となるようにダイオードを挿入することで、クランプ用NチャネルMOSFET33のゲート−ドレイン間にダイオードの順方向電圧Vfに基づいた電位差をつけることができ、クランプ電圧を調整することができる。図4においては、2つのダイオード34,35が挿入されている。ダイオード34,35はゲート−ドレイン間に直列に接続されている。挿入されるダイオードの数は所望のクランプ電圧により適宜変更する。
In the present embodiment, as a method of adjusting the clamp voltage of the
(第3実施形態)
第1実施形態および第2実施形態では、クランプ回路30の第1端子C1および第2端子C2が、それぞれ第1スイッチング素子Tr1のゲート端子G1、および、接地ライン(基準電位GNDが規定される配線)に接続される例を示したが、この例に限定されない。クランプ回路30はスイッチング素子10の急激なオフによる大電流を抑制するために、スイッチング素子10のソフトオフを実現するものである。このため、第1端子C1がソフトオフする対象となるスイッチング素子10のゲート端子に接続されていれば良い。また、第2端子C2は、ソフトオフする対象のスイッチング素子10の出力端子に対して、寄生インダクタンスが生じるような位置に接続されていれば良い。
(Third embodiment)
In the first embodiment and the second embodiment, the first terminal C1 and the second terminal C2 of the
図5に示す半導体装置110は、第1実施形態の構成に加えて、2つめのクランプ回路30を備えている。2つめのクランプ回路30の第1端子C1および第2端子C2が、それぞれ第2スイッチング素子Tr2のゲート端子G2、および、接地ライン(基準電位GNDが規定される配線)に接続されている。これによれば、サージ電流に対して、第2スイッチング素子Tr2のソフトオフを実現することができる。
The
なお、第1スイッチング素子Tr1に接続されたクランプ回路30を排除して、第2スイッチング素子Tr2のみにソフトオフの効果を付与するように構成しても良い。
Note that the
また、上記のとおり、クランプ回路30の第2端子C2は、ソフトオフする対象のスイッチング素子10の出力端子に対して、寄生インダクタンスが生じるような位置に接続されていれば良いので、図6に示す半導体装置120のように、第1スイッチング素子Tr1に接続されたクランプ回路30において、第2端子C2が第1スイッチング素子Tr1のソース端子S1と第2スイッチング素子Tr2のドレイン端子D2の間に接続されても良い。この場合、サージ電流による第2端子C2の電圧上昇は、L2・dj/dtである。
Further, as described above, the second terminal C2 of the
(第4実施形態)
図7に示すように、本実施形態における半導体装置130は、第1実施形態で説明した態様に加えて、バイパス回路40と、バイパス回路40の有効無効を制御するバイパス制御部50と、を備えている。
(Fourth embodiment)
As shown in FIG. 7, the
バイパス回路40は、クランプ回路30の第2端子C2と、第1スイッチング素子Tr1と第2スイッチング素子Tr2との中間点と、を仲介するように接続されている。バイパス回路40のうち、第1スイッチング素子Tr1と第2スイッチング素子Tr2との中間点に接続された側の端子を第3端子C3と称し、クランプ回路30の第2端子C2に接続された端子を第4端子C4と称する。
The
バイパス回路40は、第3端子C3から第4端子C4へは電流を流さず、且つ、所定の条件下で第4端子C4から第3端子C3に向かう電流を流す回路である。上記機能を有する回路であれば、その構成は問わないが、本実施形態におけるバイパス回路40は、バイパス用ダイオード41と、バイパス用スイッチ42とを有している。
The
バイパス用ダイオード41は、電流が第3端子C3から第4端子C4へ流れないように整流するために挿入されており、カソード端子が第3端子C3側に接続されるとともに、アノード端子が第4端子C4側に接続されている。
The
バイパス用スイッチ42は、第4端子C4と第3端子C3との間の電流の通電および遮断を制御するスイッチであり、例えばMOSFETを採用することができる。バイパス用スイッチ42のオンオフの制御は、バイパス用制御部50により行われる。バイパス用スイッチ42としてMOSFETが採用されるとすれば、バイパス用制御部50はバイパス用スイッチ42のゲート端子へのゲート電圧の印加を制御してオンオフを制御する。
The
このように、バイパス用ダイオード41を有することにより、バイパス用スイッチ42のオンまたはオフに依らず、第3端子C3から第4端子C4への電流の流れは遮断されており、第4端子C4から第3端子C3に向かう電流の流れはバイパス用スイッチ42により制御されている。なお、バイパス用スイッチ42を制御するバイパス用制御部50は、スイッチング素子10のオンオフを制御する制御部20にその機能が内包されていても良いし、別途機能ブロックが設けられていても良い。
Thus, by having the
バイパス回路40が有効とされる所定の条件について説明する。サージ電流は、スイッチング素子10の短絡時などの異常が発生した場合のみならず、通常のモータ制御でも生じうる。例えば、モータ300の初期始動時においては、突入電流に起因する比較的大きなサージ電流が生じることがある。このような、スイッチング素子10の通常制御時に生じうるサージ電流に対してクランプ回路30が有効になり、クランプ回路30を介して第1スイッチング素子Tr1のゲート端子G1に流れ込んでしまうと、第1スイッチング素子Tr1のオフタイミングが意図しないものとなり、モータ300の制御が意図しないものとなる虞がある。
A predetermined condition for enabling the
よって、本実施形態におけるバイパス制御部50は、負荷の駆動状態に応じてバイパス回路40の有効無効を切り替えるようにバイパス用スイッチ42を制御する。例えば、バイパス制御部50は、スイッチング素子10が正常または異常を検出可能とされ、スイッチング素子10が正常に動作している場合には、バイパス用スイッチ42を閉成することにより、バイパス回路40を有効にし、それによりクランプ回路30を無効にする。
Therefore, the
具体的には、スイッチング素子10の異常が検出されない状況下において、例えばモータ300の始動時から所定の時間が経過するまでは、バイパス用スイッチ42をオンに設定し、その後はオフに設定する。
Specifically, in a situation where an abnormality of the switching
バイパス用スイッチ42がオンである間は、サージに起因して基準電位GND側からクランプ回路30に流れ込む電流がバイパス回路40によって第1スイッチング素子Tr1のソース端子S1側に逃され、ゲート端子G1に流れ込まないようにできる。これにより、第1スイッチング素子Tr1の意図しないソフトオフを抑制することができる。
While the
(第5実施形態)
第1実施形態において説明したように、クランプ回路30における第2端子C2に印加される電圧は、スイッチング素子10およびクランプ回路30まわりの寄生インダクタンスに依存する。換言すれば、第2端子C2の接続先を調整することで、サージ発生時に第2端子C2に印加される電圧を制御することができる。
(Fifth embodiment)
As described in the first embodiment, the voltage applied to the second terminal C <b> 2 in the
本実施形態における半導体装置140は、接地ライン上において第2端子C2の接続先を任意に選択可能にした例である。図8に示すように、第1スイッチング素子Tr1、第2スイッチング素子Tr2およびクランプ回路30は第1モジュール61としてパッケージングされている。また、制御部20も第2モジュール62としてパッケージングされている。一方、基準電位GNDとされた接地ラインは第1モジュール61および第2モジュール62の外部に位置している。具体的には、接地ラインは例えばバスバーである。バスバーは、第2スイッチング素子Tr2のソース端子S2から遠い側から、点a、点b、点cの3点の接続点を有している。そして、クランプ回路30の第2端子C2から延び、第1モジュール61の外部に突出した配線Rが、点a、点b、点cのいずれかの接続点に接続可能になっている。設計者は、用途に応じて、第2端子C2の接続先を点a、点b、点cのいずれかから選択することができる。
The
点aと点bとの間に生じる寄生インダクタンスをL5とし、点bと点cとの間に生じる寄生インダクタンスをL6とする。第2端子C2の接続先が点aであれば、P1−P2間に上下貫通電流が流れるとき、接地ラインにおける電位(第2端子C2の電位)は、第1スイッチング素子Tr1のソース端子S1に対して、(L2+L3+L5+L6)・dj/dtだけ高くなる。第2端子C2の接続先が点bであれば、(L2+L3+L6)・dj/dtだけ高くなる。第2端子C2の接続先が点cであれば、(L2+L3)・dj/dtだけ高くなる。このように、サージ発生時において、クランプ回路30の第2端子C2に印加される電圧を制御することができる。
A parasitic inductance generated between the point a and the point b is L5, and a parasitic inductance generated between the point b and the point c is L6. If the connection destination of the second terminal C2 is the point a, when a vertical through current flows between P1 and P2, the potential on the ground line (the potential of the second terminal C2) is applied to the source terminal S1 of the first switching element Tr1. On the other hand, it becomes higher by (L2 + L3 + L5 + L6) · dj / dt. If the connection destination of the second terminal C2 is the point b, it becomes higher by (L2 + L3 + L6) · dj / dt. If the connection destination of the second terminal C2 is the point c, it becomes higher by (L2 + L3) · dj / dt. Thus, the voltage applied to the second terminal C2 of the
(第6実施形態)
第5実施形態では、クランプ回路30における第2端子C2の接続先の変更をハードウェアで制御する例について説明したが、図9に示すように、本実施形態における半導体装置150は、接続点を切り替えるための接続点切り替えスイッチ70を備え、ソフトウェア的に切り替えるようになっている。
(Sixth embodiment)
In the fifth embodiment, the example in which the change of the connection destination of the second terminal C2 in the
接続点切り替えスイッチ70は、第2端子C2に接続されるとともに、第2端子C2の接続先を、点a、点b、点cにそれぞれ接続された配線のいずれか1つに接続可能になっている。接続点切り替えスイッチ70のスイッチングは、制御部20あるいは図示しない制御機構により制御される。
The connection
このように、ソフトウェア的に第2端子C2の接続先を選択できるので、例えば半導体装置150を車両等に組み付けた後でも、容易に接続先の変更を行うことができる。
Thus, since the connection destination of the second terminal C2 can be selected in software, for example, the connection destination can be easily changed even after the
(第7実施形態)
図10に示すように、本実施形態における半導体装置160は、第1スイッチング素子Tr1のゲート端子G1と、クランプ回路30の第1端子C1との間に、第1抵抗R1を備えている。
(Seventh embodiment)
As shown in FIG. 10, the
上記したように、クランプ回路30が有効とされた場合のサージ電圧は、第1スイッチング素子Tr1の閾値電圧Vthとクランプ回路30のクランプ電圧の和の電圧値にクランプされるが、本実施形態のように、第1抵抗R1を備えることにより、さらに第1抵抗R1の電圧降下に係る電圧をクランプ後のサージ電圧に反映させることができる。すなわち、第1抵抗R1を適宜設定することによって、サージ電圧のクランプの程度を調整することができる。
As described above, the surge voltage when the
さらに、本実施形態における半導体装置160は、第1スイッチング素子Tr1のゲート端子G1と、第1スイッチング素子Tr1の低電位側の出力端子であるソース端子S1との間において、第1抵抗R1と直列に接続された第2抵抗R2を備えている。そして、第1抵抗R1と第2抵抗R2との中間点にクランプ回路30の第1端子C1が接続されている。なお、図10に示す例では、ゲート端子G1とソース端子S1との間において、第1抵抗R1と第2抵抗R2の間に制御部20を介しているが、第1抵抗R1と第2抵抗R2とは、制御部20の内部において電気的に接続されている。
Furthermore, the
ところで、クランプ回路30が有効とされた場合のサージ電圧は、第1スイッチング素子Tr1の閾値電圧Vthとクランプ回路30のクランプ電圧の和の電圧値にクランプされるが、スイッチング素子の閾値電圧は素子の製造ばらつき等に起因して、比較的変動しやすい。このため、クランプ後の電圧もその影響を受けて変動してしまう場合がある。
By the way, the surge voltage when the
これに対して、本実施形態の半導体装置160は、第1抵抗R1と第2抵抗R2との中間点にクランプ回路30の第1端子C1が接続されているので、クランプ後のサージ電圧のうち、閾値電圧Vthに係るファクタは、抵抗分圧であるR2/(R1+R2)倍される。すなわち、第1抵抗R1および第2抵抗R2を設けない場合に較べて、閾値電圧Vthの影響を小さくすることができる。よって、閾値電圧Vthのばらつきの影響も小さくすることができる。
On the other hand, in the
なお、第2抵抗R2は必須の構成要素ではなく、第1抵抗R1のみを有する構成でも、第1抵抗R1を適宜設定することによって、サージ電圧のクランプの程度を調整することができる。しかしながら、第2抵抗R2を設けることによって、さらにスイッチング素子10の閾値電圧Vthのばらつきの影響を抑制することができる。
Note that the second resistor R2 is not an essential component, and even in a configuration having only the first resistor R1, the degree of surge voltage clamping can be adjusted by appropriately setting the first resistor R1. However, by providing the second resistor R2, it is possible to further suppress the influence of variations in the threshold voltage Vth of the switching
第1抵抗R1および第2抵抗R2は、新規の部品として設けることもできるが、例えば制御部20に含まれる既存の抵抗器で兼用することもできる。図11に示すように、制御部20は、第1または第2スイッチング素子Tr1,Tr2の制御のため、ゲート端子G1(G2)にゲート電圧を印加するものである。制御部20は、電源VDDとソース端子S1(S2)との間にスイッチング素子Q1,Q2が直列接続された構成とされ、Q1がオンされQ2がオフされる状況でゲート端子G1(G2)に充電される。一方、Q2がオンされQ1がオフされる状況でゲート端子G1(G2)が放電される。制御部20は、充電時の充電速度を調整するための抵抗R1と、放電時の放電速度を調整するための抵抗R2を有している。これらの充放電の速度を調整する抵抗R1,R2を、それぞれ上記した第1抵抗R1および第2抵抗R2と見なすことができる。
Although the first resistor R1 and the second resistor R2 can be provided as new parts, for example, an existing resistor included in the
図11に示す例では、スイッチング素子Q2がオンされた状況下において、スイッチング素子Tr1(Tr2)のゲート端子G1(G2)と、スイッチング素子Tr1(Tr2)の低電位側の出力端子であるソース端子S1(S2)との間において、第1抵抗R1と第2抵抗R2とが直列接続された構成となっている。そして、クランプ回路30の第1端子C1は、第1抵抗R1と第2抵抗R2との中間点に接続されている。なお、図11では、スイッチング素子Q2を挟んだ2点でクランプ回路30と接続されているが、この2点はスイッチング素子Q2がオンされた状況下において等価であり、いずれか1点での接続でもスイッチング素子10の閾値電圧Vthのばらつきの影響を抑制する効果を奏する。
In the example shown in FIG. 11, the gate terminal G1 (G2) of the switching element Tr1 (Tr2) and the source terminal that is the output terminal on the low potential side of the switching element Tr1 (Tr2) in a state where the switching element Q2 is turned on. The first resistor R1 and the second resistor R2 are connected in series between S1 (S2). The first terminal C1 of the
また、図12に示すように、制御部20に属するスイッチング素子Q2とゲート電極G1(G2)の間に、第1抵抗R1と第2抵抗R2とが共に直列接続されるような構成であっても良いし、図13に示すように、制御部20に属するスイッチング素子Q2とソース電極S1(S2)の間に、第1抵抗R1と第2抵抗R2とが共に直列接続されるような構成であっても良い。
Also, as shown in FIG. 12, the first resistor R1 and the second resistor R2 are both connected in series between the switching element Q2 belonging to the
また、第5実施形態で説明したように、スイッチング素子10や制御部20がパッケージングされモジュール化される形態であるとき、第1抵抗R1および第2抵抗R2がどのモジュールにパッケージングされるかは限定されない。例えば、図8に示す第1モジュール61に第1抵抗R1と第2抵抗R2とが共に属しても良いし、第2モジュール62に第1抵抗R1と第2抵抗R2とが共に属しても良い。また、それぞれの抵抗R1,R2が別のモジュールに属しても良い。また、クランプ回路30の第1端子C1が結線される先も、いずれかのモジュール内であるかは限定されない。
Further, as described in the fifth embodiment, when the switching
さらにいえば、第1抵抗R1および第2抵抗R2に関して、抵抗素子として別に形成することなく、スイッチング素子10のオン抵抗と配線抵抗とをそれぞれ第1抵抗R1、第2抵抗R2とみなしても良い。
Furthermore, regarding the first resistance R1 and the second resistance R2, the on-resistance and the wiring resistance of the switching
(その他の実施形態)
以上、好ましい実施形態について説明したが、上記した実施形態になんら制限されることなく、この明細書に開示する主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。
(Other embodiments)
The preferred embodiment has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the gist disclosed in this specification.
上記した各実施形態では、クランプ回路30の具体的な回路構成について複数の例を示したが、これらの例のみに限定されることなく、クランプ回路30は、第1端子C1から第2端子C2へは電流を流さず、且つ、第1端子C1よりも第2端子C2の電位が高い所定の条件下で、C2−C1間の電位差を一定に保持しつつ第2端子C2から第1端子C1に向かう電流を流す回路であれば良い。
In each of the above-described embodiments, a plurality of examples have been shown for the specific circuit configuration of the
とくに、第2実施形態において、クランプ回路30にNチャネルMOSFET33を採用する例を例示したが、図14に示すように、PチャネルMOSFET36を用いても良い。このクランプ回路30は、クランプ用ダイオード31と、クランプ用PチャネルMOSFET36とを有している。クランプ用ダイオード31は、第2実施形態と同様に電流が第1端子C1から第2端子C2へ流れないように整流するために挿入されており、カソード端子が第1端子C1側に接続されるとともに、アノード端子が第2端子C2側に接続されている。
In particular, in the second embodiment, an example in which the N-
クランプ用PチャネルMOSFET36は、ドレイン端子が第1端子C1側、すなわちクランプ用ダイオード31のアノード端子に接続され、ソース端子が第2端子C2側に接続されている。クランプ用PチャネルMOSFET36は、ゲート端子とドレイン端子とが直接的に接続されている。
The clamping P-
MOSFETにPチャネルのものを用いる形態でも、ダイオードを利用してクランプ電圧の調整が可能である。すなわち、図15に示すように、クランプ用PチャネルMOSFET36のゲート−ドレイン間に、ゲート端子側がアノード端子となるようにダイオード37,38を挿入することで、クランプ用PチャネルMOSFET36のゲート−ドレイン間にダイオードの順方向電圧Vfに基づいた電位差をつけることができ、クランプ電圧を調整することができる。
Even in the form of using a P-channel MOSFET, the clamp voltage can be adjusted using a diode. That is, as shown in FIG. 15, by inserting
上記した各実施形態では、バイパス回路40の具体的な回路構成について例に示したが、これらの例のみに限定されることなく、バイパス回路40は、第3端子C3から第4端子C4へは電流を流さず、且つ、所定の条件下で第4端子C4から第3端子C3に向かう電流を流す回路であれば良い。
In each of the above-described embodiments, the specific circuit configuration of the
また、第5実施形態および第6実施形態において、クランプ回路30がスイッチング素子10と同一の第1モジュール61にパッケージングされる例について説明したが、クランプ回路30は必ずしもスイッチング素子10に付随するものではない。すなわち、クランプ回路30は制御部20とともに第2モジュール62内に存在しても良い。また、第1モジュール61や第2モジュール62とは別に設けられていても良い。
In the fifth and sixth embodiments, the example in which the
10…スイッチング素子,Tr1…第1スイッチング素子,Tr2…第2スイッチング素子,20…制御部,30…クランプ回路,200…インバータ回路,300…モータ
DESCRIPTION OF
Claims (14)
前記スイッチング素子の制御端子に電圧を供給してオンオフを制御する制御部(20)と、
少なくともひとつの前記スイッチング素子の制御端子に一端である第1端子(C1)が接続されたクランプ回路(30)と、を備え、
前記クランプ回路は、前記第1端子が接続された前記スイッチング素子における低電位側の出力端子と、前記基準電位が設定される端子と、の間に前記第1端子の他端である第2端子(C2)が接続されるものであり、
前記クランプ回路は、前記第1端子から前記第2端子への電流を遮断するとともに、前記第2端子の電位が前記第1端子の電位よりも高いときに、前記第1端子と前記第2端子との電位差が所定のクランプ電圧以上にならないようにしつつ通電する、半導体装置。 As the switching element (10), a first switching element (Tr1) and a second switching element (Tr2) whose output terminals are connected in series between a power supply potential and a reference potential,
A control unit (20) for controlling on / off by supplying a voltage to a control terminal of the switching element;
A clamp circuit (30) having a first terminal (C1) as one end connected to a control terminal of at least one of the switching elements,
The clamp circuit is a second terminal that is the other end of the first terminal between an output terminal on the low potential side of the switching element to which the first terminal is connected and a terminal to which the reference potential is set. (C2) is connected,
The clamp circuit cuts off a current from the first terminal to the second terminal, and when the potential of the second terminal is higher than the potential of the first terminal, the first terminal and the second terminal A semiconductor device that is energized so that the potential difference between and does not exceed a predetermined clamping voltage.
カソード端子が前記第1端子側にされたクランプ用ダイオード(31)と、
アノード端子が前記第1端子側にされたクランプ用ツェナーダイオード(32)と、を有し、
前記クランプ電圧が前記ツェナーダイオードのブレーク電圧に基づいて決まる、請求項1に記載の半導体装置。 The clamp circuit is
A clamping diode (31) having a cathode terminal on the first terminal side;
A clamping Zener diode (32) having an anode terminal on the first terminal side,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the clamp voltage is determined based on a break voltage of the Zener diode.
カソード端子が前記第1端子側にされたクランプ用ダイオード(31)と、
ソース端子が前記第1端子側にされ、ドレイン端子が前記第2端子側にされ、ゲート端子がドレイン端子に接続されたクランプ用NチャネルMOSFET(33)と、を有し、
前記クランプ電圧が、前記クランプ用NチャネルMOSFETのソース−ドレイン間電圧に基づいて決まる、請求項1に記載の半導体装置。 The clamp circuit is
A clamping diode (31) having a cathode terminal on the first terminal side;
A clamping N-channel MOSFET (33) having a source terminal on the first terminal side, a drain terminal on the second terminal side, and a gate terminal connected to the drain terminal,
The semiconductor device according to claim 1, wherein the clamp voltage is determined based on a source-drain voltage of the clamp N-channel MOSFET.
カソード端子が前記第1端子側にされたクランプ用ダイオード(31)と、
ドレイン端子が前記第1端子側にされ、ソース端子が前記第2端子側にされ、ゲート端子がドレイン端子に接続されたクランプ用PチャネルMOSFET(36)と、を有し、
前記クランプ電圧が、前記クランプ用PチャネルMOSFETのソース−ドレイン間電圧に基づいて決まる、請求項1に記載の半導体装置。 The clamp circuit is
A clamping diode (31) having a cathode terminal on the first terminal side;
A clamping P-channel MOSFET (36) having a drain terminal on the first terminal side, a source terminal on the second terminal side, and a gate terminal connected to the drain terminal;
The semiconductor device according to claim 1, wherein the clamp voltage is determined based on a source-drain voltage of the clamping P-channel MOSFET.
前記クランプ回路が、前記第1スイッチング素子の制御端子と、前記第2スイッチング素子の低電位側の出力端子と前記基準電位が設定される端子と、の間に介在するものにおいて、
さらに、第3端子(C3)と第4端子(C4)とを有するバイパス回路(40)を備え、
前記バイパス回路は、前記第3端子が前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との中間点に接続されるとともに、前記第4端子が前記クランプ回路における前記第2端子に接続され、
前記バイパス回路は、前記第3端子から前記第4端子への電流を遮断し、所定の条件下において前記第4端子から前記第3端子に通電する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first switching element constitutes an upper arm whose one end of the output terminal is the power supply potential, and the second switching element constitutes a lower arm whose one end of the output terminal is the reference potential,
The clamp circuit is interposed between a control terminal of the first switching element, an output terminal on the low potential side of the second switching element, and a terminal to which the reference potential is set.
And a bypass circuit (40) having a third terminal (C3) and a fourth terminal (C4),
In the bypass circuit, the third terminal is connected to an intermediate point between the first switching element and the second switching element, and the fourth terminal is connected to the second terminal in the clamp circuit,
7. The bypass circuit according to claim 1, wherein the bypass circuit cuts off a current from the third terminal to the fourth terminal and energizes the third terminal from the fourth terminal under a predetermined condition. The semiconductor device described.
カソード端子が前記第3端子側にされたバイパス用ダイオード(41)と、
前記第3端子と前記第4端子との間の通電のオンオフを制御するバイパス用スイッチ(42)と、を有し、前記バイパス用スイッチは所定の条件下において閉成して前記第3端子と前記第4端子との間を通電する、請求項7に記載の半導体装置。 The bypass circuit is
A bypass diode (41) having a cathode terminal on the third terminal side;
A bypass switch (42) for controlling on / off of energization between the third terminal and the fourth terminal, the bypass switch being closed under a predetermined condition, The semiconductor device according to claim 7, wherein current is passed between the fourth terminal.
前記バイパス制御部は、前記スイッチング素子が正常または異常を検出可能とされ、
前記スイッチング素子が正常に動作している場合には、前記バイパス用スイッチを閉成することにより、前記第1端子と前記第2端子との電位差を所定のクランプ電圧まで上昇させないように制御する、請求項8に記載の半導体装置。 A bypass control unit (50) for controlling the bypass switch;
The bypass control unit can detect whether the switching element is normal or abnormal,
When the switching element is operating normally, by closing the bypass switch, the potential difference between the first terminal and the second terminal is controlled so as not to increase to a predetermined clamp voltage. The semiconductor device according to claim 8.
前記クランプ回路における前記第2端子は、前記モジュールの外部において、前記第1端子が接続された前記スイッチング素子における低電位側の出力端子と、前記基準電位が設定される端子と、の間に接続される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の半導体装置。 The first switching element and the second switching element constitute a packaged module (61),
The second terminal in the clamp circuit is connected between the output terminal on the low potential side of the switching element to which the first terminal is connected and the terminal to which the reference potential is set, outside the module. The semiconductor device according to any one of claims 1 to 9.
前記接続点切り替えスイッチの切り替えによって前記第2端子と前記モジュールとの間の寄生インダクタンスが可変にされる、請求項11に記載の半導体装置。 A connection point changeover switch (70) is provided between the connection point to which the second terminal is connected and the clamp circuit,
The semiconductor device according to claim 11, wherein a parasitic inductance between the second terminal and the module is made variable by switching the connection point changeover switch.
前記第1端子は、前記第1抵抗と前記第2抵抗との中間点に接続される、請求項13に記載の半導体装置。 A second resistor connected in series with the first resistor between the output terminal on the low potential side of the switching element to which the clamp circuit is connected and the control terminal;
The semiconductor device according to claim 13, wherein the first terminal is connected to an intermediate point between the first resistor and the second resistor.
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CN112543547A (en) * | 2019-09-20 | 2021-03-23 | 日本电产东测株式会社 | Circuit board and electric oil pump |
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